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0 引言

熱交換器被廣泛地應(yīng)用于石化、電力等工業(yè)領(lǐng)域，在生產(chǎn)中起著不可替代的作用。然而目前熱交換器在能耗方面的損失嚴(yán)重，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大經(jīng)濟損失[1]。隨著能源危機的日益加劇，以及環(huán)保因素的影響，熱交換器性能與能效測試的研究就顯的越來越重要[1]。在此，主要針對熱交換器性能與能效的測試要求，利用網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess與APAX5620，設(shè)計了熱交換器性能測試平臺的控制系統(tǒng)[2-3]，實現(xiàn)了對測試平臺運行狀況的實時監(jiān)控和分析，以測定熱交換器性能與能效。

1 控制系統(tǒng)的功能與組成

以工業(yè)生產(chǎn)中常用的間壁式熱交換器為代表，熱交換器兩側(cè)流通不同屬性的工藝介質(zhì)，通過2種介質(zhì)的溫差傳遞熱量。為測定其換熱效率及能效，可根據(jù)需要選擇水-水換熱模式、汽-水換熱模式和油-水換熱模式。

1.1 控制系統(tǒng)的功能

控制系統(tǒng)的功能如圖1所示。在選定某種換熱模式之后，控制系統(tǒng)將自動實現(xiàn)以下操作：根據(jù)所選擇的換熱模式通斷特定的閥門，實現(xiàn)工藝介質(zhì)的切換；根據(jù)操作員輸入的試驗參數(shù)調(diào)節(jié)回路閥門的開度、設(shè)備的功率等，實現(xiàn)介質(zhì)參數(shù)精確控制；采集、顯示并記錄各關(guān)鍵工藝參數(shù)，動態(tài)分析被測試驗件參數(shù)指標(biāo)并形成報表輸出；實時進行異常報警以及故障診斷等。

圖1 控制系統(tǒng)功能

1.2 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)按其自下而上的邏輯順序分為3層，如圖2所示，分別為現(xiàn)場執(zhí)行層、控制層和管理層。

圖2 控制系統(tǒng)邏輯層

現(xiàn)場執(zhí)行層包括現(xiàn)場測量單元、執(zhí)行單元等，執(zhí)行過程信號采集、閥門通斷調(diào)節(jié)等?？刂茖影≒AC硬件設(shè)備和控制程序，負(fù)責(zé)平臺的邏輯運行控制。管理層采用PC機+組態(tài)軟件WebAccess的架構(gòu)，實現(xiàn)人機交互、平臺運行畫面模擬、動態(tài)顯示與存儲、報警與診斷等。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

執(zhí)行層硬件由檢測儀表(溫度、壓力和流量等變送器)和執(zhí)行元件(調(diào)節(jié)閥等)組成。執(zhí)行層硬件輸入/輸出信號可分為2類，所有連續(xù)變化的信號，如用于測量工藝介質(zhì)的溫度、壓力、流量的變送器信號，以及調(diào)節(jié)閥的開度控制與反饋信號等均為模擬量信號；閥門的通斷、水泵的啟停等均為開關(guān)量信號。由于電流信號具有抗干擾能力強、簡單易用等優(yōu)點，模擬量信號統(tǒng)一以4～20 mA電流信號表示[4]。

控制層硬件采集現(xiàn)場過程量信號并運行熱工測試平臺的邏輯控制程序。其核心控制器采用APAX5620 PAC，內(nèi)置工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊可用于開發(fā)與通信功能；對應(yīng)的4～20 mA模擬量輸入模塊為APAX5017，模擬量輸出模塊為APAX5028；開關(guān)量信號對應(yīng)的輸入/輸出模塊為APAX5045[5-7]。

管理層硬件是指PC控制臺，安裝網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess。

控制系統(tǒng)各層硬件之間的通信方式如圖3所示，主要包括2個部分：設(shè)備層與控制層采用模擬信號通信，控制層與管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)Modbus/TCP通信[8]。

圖3 控制系統(tǒng)各層硬件之間的通信方式

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 控制層軟件設(shè)計

控制層軟件即平臺運行的邏輯控制軟件運行于APAX5620 PAC硬件平臺上，流程如圖4所示，負(fù)責(zé)以下過程：

圖4 控制層軟件流程

a.現(xiàn)場開關(guān)量及模擬量信號的采集。

b.與管理層通信，交換現(xiàn)場過程量數(shù)據(jù)及管理層控制指令。一方面，APAX5620通過Modbus/TCP上傳工藝介質(zhì)的實時參數(shù)到管理層組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫，另一方面，獲取管理層下發(fā)的控制指令，并更新指令參數(shù)緩存器。

c.溫度、壓力、流量的閉環(huán)控制，根據(jù)管理層下發(fā)的控制指令，調(diào)節(jié)閥門開度、加熱器的功率等來滿足各種試驗?zāi)Ｊ较聦橘|(zhì)流量、溫度的調(diào)節(jié)要求。以流量控制為例，控制策略如圖5所示。本系統(tǒng)閉環(huán)控制利用PID控制器實現(xiàn)，采用APAX5620控制器指令集中的PID功能塊。

圖5 流量控制策略

d.可靠性監(jiān)測，包括設(shè)備故障檢測、系統(tǒng)超溫超壓緊急停車等。

3.2 管理層軟件設(shè)計

管理層軟件運行于PC控制臺，以組態(tài)軟件WebAccess為平臺開發(fā)了控制系統(tǒng)管理層軟件，主要構(gòu)成如下所述。

a.熱力平衡算法程序，根據(jù)控制層軟件采集到的現(xiàn)場過程量數(shù)據(jù)進行熱力平衡計算，同時計算出熱交換器的換熱效率與能效。

b.平臺運行畫面模擬，包括主畫面、參數(shù)輸入畫面、實時趨勢畫面、歷史趨勢畫面和故障報警畫面等。

主畫面如圖6所示，用于模擬測試平臺的工藝流程，監(jiān)控并顯示測試平臺的運行情況，包括系統(tǒng)運行模式，換熱模式，被測試驗件兩側(cè)工藝介質(zhì)的流量、溫度、壓力，調(diào)節(jié)閥的開度以及泵的啟停狀態(tài)等。

圖6 管理層軟件主畫面

參數(shù)輸入畫面：用于試驗?zāi)Ｊ竭x擇，包括手動/自動運行模式的切換，水-水換熱模式、汽-水換熱模式和油-水換熱模式的切換；工藝參數(shù)目標(biāo)值的輸入，如溫度、流量等參數(shù)；控制參數(shù)的調(diào)試，包括比例系數(shù)P、積分時間常數(shù)I、微分時間常數(shù)D和誤差死區(qū)等。

實時趨勢畫面與歷史趨勢畫面：用于實時顯示測量結(jié)果、繪制動態(tài)曲線；記錄系統(tǒng)運行狀況、處理歸檔，操作人員可及時方便地查看、了解系統(tǒng)實時和歷史運行情況，為操作人員發(fā)現(xiàn)故障、查找和分析事故原理提供可靠的依據(jù)。

報警畫面：用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)發(fā)生的異常情況，有報警分組、報警確認(rèn)等功能。

4 結(jié)束語

利用網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess與研華APAX5620 PAC控制器，搭建了熱交換器性能測試平臺的控制系統(tǒng)。能夠方便地實現(xiàn)換熱模式的切換，工藝參數(shù)自動精確調(diào)節(jié)、實時采集與保存，熱交換器效率與能效自動分析等功能，大大地提高了試驗工作效率；具有操作方便、經(jīng)濟性好的特點。經(jīng)過實際工作運行，驗證了設(shè)計方案的合理性與控制系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻：

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